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简介

本文为大家介绍麻省理工学院的Microphotonics Center （MphC）与PhotonDelta 在2024年三月底联合发布的 Integrated Photonic System Roadmap-International （IPSR-I）当中的航空航天系统篇。航空航天工业包括各种类型的飞机、直升机和航天器，不断寻求在尺寸、重量、功耗 （SWaP）、可靠性和成本方面的改进。光电芯片 （PIC） 正在成为满足这些需求的前景广阔的技术，为航空航天系统带来了革命性的变化。本教程概述IPSR-I报告中关于 PIC 在航空航天领域的应用、要求和机遇。

光电芯片（PIC）在航空航天领域的应用

如图 1 所示，PIC 预计将对各种航空航天应用产生重大影响。

图 1. 光电芯片在航空航天领域的应用。

飞机内/卫星上的光电芯片

在飞机和卫星内部，PIC 将在以下应用中发挥关键作用：

1.数字光互连： 硅基光电子（SiPh）PIC 实现了与 ASIC/FPGA 的共同封装解决方案，目标是每通道 100 Gbps 及以上的数据传输速率。这些高速串行链路 （HSSL） 对于航空航天系统内的数据传输和互连很重要。

2.模拟光互连： PIC 可用于实现复杂的发射器和接收器，如天线与处理器之间的光纤射频 （RFoF） 链路或本地振荡器 （LO） 信号分配。

3.光子信号处理： PIC 是微波光子波束成形、开关、滤波和频率转换等功能的基本构件，可集成到数字或模拟光子链路中。

微波光子波束成形值得特别关注，因为它被认为是未来超高吞吐量卫星（vHTS）的一项战略技术。微波光子技术可替代传统的模拟射频和数字处理技术，为具有数千个元素的相控阵天线提供低功耗、结构紧凑和频率无关的解决方案。然而，迄今为止，紧凑型光子电子集成尚未实现。

4.光计算： 光子计算，特别是用于神经网络中矢量矩阵乘法的线性模拟计算，虽然仍处于早期阶段，但对于需要低 SWaP 和高强度线性计算的航空航天应用来说，可能会很有意义。

自由空间光通信

地面站与地球静止通信卫星之间的高速光馈线链路需要用于相干自由空间光学（FSO）通信链块的 PIC。这一领域的挑战包括：

• 定义与地面供应商产品组合兼容的 FSO 链路，以充分利用现有的 PIC 开发成果。
• 由于 PIC 开发的复杂性和成本较高，因此需要与光学调制解调器供应商共同设计和共同开发解决方案。
• 评估基于商用现成 （COTS） PIC 产品的稳健性和潜在的特定空间故障模式。

量子技术

量子集成电路（QPIC）因其对量子传感、通信（如空间量子密钥分发）、计算和模拟的潜在影响而备受关注。该领域的发展包括能够在低温和低功耗条件下工作的 QPIC，以及集成了单光子和纠缠光子对生成、单光子检测和量子存储组件等量子功能的 QPIC。

激光雷达

虽然汽车市场预计将推动激光雷达市场的发展，但航空市场预计将更早采用基于 PIC 的激光雷达解决方案。在汽车领域，低成本和在各种条件下的精确探测很重要，而航空市场则将可靠性放在首位，并放宽了对成本的要求。基于 PIC 的激光雷达解决方案包括 Analog Photonics 的相干 OPA 激光雷达和 Quanergy 的 S3 固态激光雷达。

光学干涉仪

干涉仪是重要的光学传感器和科学仪器，其中外差干涉仪是位移测量、光束角度监测和天基光学仪器镜面校准等应用的首选模式。利用硅基光电子技术开发芯片级集成干涉仪可实现低成本、高精度干涉仪，从而扩大干涉测量技术在空间设备和光学仪器中的应用。

光纤传感

虽然光纤传感（FOS）在飞机上的应用已得到研究，但其在太空中的应用主要集中在航天器有效载荷整流罩的结构健康监测上。基于 PIC 的传感指的是用光源将光送入光纤，然后直接在 PIC 上进行测量。

光谱仪和校准

目前的天基光谱仪受到光谱灵敏度和在轨稳定性的限制。用于产生频率梳的片上微扰谐振器已被证明可提供所需的多谱线光源，从而超越当前的光谱仪，实现更高的灵敏度、稳定性、可调谐性、吞吐量和空间操作的紧凑性。

挑战和要求

尽管 PIC 在航空航天领域的应用具有巨大的潜力，但仍有几项问题必须解决：

• PIC 材料： 各种 PIC 材料缺乏足够的辐射和可靠性数据，目前还不存在适合所有功能的单一理想平台。
• PIC 封装： 封装对 PIC 性能的影响、缺乏适用于空间的标准封装、电子-光子紧凑集成以及不同 PIC 平台的混合集成都是需要克服的挑战。
• 定制 PIC 设计： 定制 PIC 设计成本高、周期长，需要多次迭代，导致非经常性成本居高不下。商用现成 （COTS） 器件可能并不合适，而且可能设计过度，无法最大限度地降低 SWaP 因素。
• PIC 操作： 有关 PIC 在恶劣航空航天条件下运行的数据不足，例如辐射、振动和真空条件下温度循环的影响。
• 航空航天级器件： 只有少数光子 PIC 已由航天工业制造并进行了测试，基于 PIC 的商用航天模块尚未面世。此外，目前还没有 PIC 的太空标准。

前景与机遇

表 1 重点介绍了与下一代通信卫星最相关的光子功能，其中基于 PIC 的构件是关键的推动因素。

表 1. 下一代通信卫星的 PIC 功能

如表 1 所示，PIC 预计将实现未来通信卫星的关键功能，如：

• 用于高速串行链路 （HSSL） 的 ASIC/FPGA 协同封装光学器件，可降低功耗（到 2028 年）
• 用于天线和处理器之间光纤互连的多通道光纤射频（RFoF）模块（到 2028 年）
• 用于高效射频上/下变频的光频率发生器（到 2030 年）
• 用于低功耗、频率无关和高度可扩展波束成形的光子波束成形器（到 2030 年）
• 高密度、低损耗、低功耗的大型光开关，提高有效载荷的灵活性和效率（到 2030 年）
• 全光子模数和数模转换器（ADC/DAC），可简化信号路径和提高带宽（到 2035 年）
• 空间合格的 100 Gbps 相干调制解调器，用于地球同步轨道馈电链路和高吞吐量卫星，由高度复杂的基于 PIC 的器件实现（到 2027 年）

结论

光电芯片 （PIC） 将彻底改变航空航天系统，在尺寸、重量、功耗、可靠性和成本方面实现前所未有的改进。PIC的应用范围广泛，包括飞行器内/卫星光电子技术、自由空间光通信、量子技术、激光雷达、光学干涉测量、光纤传感和光谱学/校准，有望在航空航天领域实现下一代功能。然而，要充分发挥这一变革性技术的潜力，必须解决与 PIC 材料、封装、设计、操作和航空航天级设备相关的挑战。随着航空航天工业不断突破性能和效率的极限，PIC 将在塑造未来航空航天系统方面发挥越来越关键的作用。

参考文献